Genomverdopplung

Mechanismus zur Verdopplung von Pflanzengenomen entdeckt

Eine Störung der Zellteilung löst bei der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) eine Genomverdopplung aus, Polyploidisierung genannt. Entwicklungsbiologen der Universität Hamburg haben den Vorgang erstmals detailliert analysiert und im Fachmagazin „Developmental Cell“ beschrieben.

Prof. Dr. Arp Schnittger vor einem Kulturschrank mit Exemplaren der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana). (Foto: UHH/Nicolai)

Polyploidisierungen könnten Pflanzen die Anpassung etwa an den Klimawandel erleichtern. Die genaue Kenntnis der zugrundeliegenden Prozesse birgt außerdem große Potenziale für die Züchtung von Nutzpflanzen. Dazu untersucht ein Hamburger Forschungsverbund die Genomverdopplungen im Rahmen der Hybridbildung, also der Kreuzung zweier Arten.

Genomverdopplungen, die zweifache Weitergabe des Erbguts beider Eltern von einer Generation zur nächsten, sind bei Pflanzen weit verbreitet und spielen wahrscheinlich bei deren Evolution eine wichtige Rolle. Zum Beispiel können sich dadurch schnell neue Eigenschaften entwickeln. „Die Dopplungen bringen verschiedene Vorteile, die auch die Anpassung an veränderte Umweltbedingungen erleichtern oder neue Arten entstehen lassen können. Die Pflanzenzucht nutzt die Genomverdopplung, etwa um robustere oder ertragreichere Pflanzen zu erzeugen“, erklärt Prof. Dr. Arp Schnittger, Entwicklungsbiologe an der Universität Hamburg und Sprecher des Hamburger For- schungsverbunds „Hybride – Chancen und Herausforderungen von neuen geno-mischen Kombinationen“.

In der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins „Developmental Cell“ beschreibt Prof. Schnittger zusammen mit seinem wissenschaftlichen Mitarbeiter Dr. Shinichro Komaki den Auslöser für ei-ne Genomverdopplung in der Wurzel der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), eine der am besten erforschten Modellpflanzen für diese Untersuchungen: Wird die Zellteilungsmaschinerie gestört, versuchen die Pflanzen in der Mitose-Phase der Zellkernteilung nur etwa zwei Stunden lang, den Zellteilungsprozess erneut in Gang zu setzen. Danach verdoppeln sie ihre Chromosomen. Bei Tieren kann die Wartephase mehr als 20 Stunden dauern, und die meisten Zellen sterben dabei ab. „Der schnelle und aktive Ausstieg aus der Zellteilung hat uns sehr erstaunt“, sagt Prof. Schnittger. „Möglicherweise hat er sich als großer Gewinn in der Evolution der Pflanzen erwiesen.“

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Im Forschungsverbund „Hybride – Chancen und Herausforderungen von neuen genomischen Kombinationen“, der von der Hamburger Behörde für Wissenschaft, Forschung und Gleichstellung (BWfG) gefördert wird, untersuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Hamburg, des Bernhard-Nocht-Instituts für Tropenmedizin (BNI) und des Climate Service Center Germany (GERICS), ob Genomänderungen insbesondere bei der Hybridbildung – der Kreuzung zweier Arten – bestimmten Gesetzmäßigkeiten folgen. Mit diesem Wissen lässt sich beurteilen, ob hieraus Vorteile für die natürliche Anpassung, etwa an den Klimawandel, und mögliche Potenziale für die biotechnologische Nutzung erwachsen können. Neben Arabidopsis stehen dabei auch Pappel- und Schlickgras- sowie Schnecken-, Fisch- und Lemuren-Arten im Fokus der Forscherinnen und Forscher.

„Die Organismen sind so ausgewählt, dass wir zentrale Fragen der Hybridforschung an je einer Pflanzen- und einer Tierart untersuchen können“, erklärt Prof. Schnittger. „Ausgehend von der Hybridverbreitung und einer Untersuchung der genomischen Bedingungen für wichtige biologische Funktionen sollen die Grundlagen für die Leistungsfähigkeit von Hybriden und schließlich die Genome selbst analysiert werden.“

Seine eigenen Untersuchungen zur Ackerschmalwand möchte Prof. Schnittger nun auf die Meiose ausweiten – eine Reduktionsteilung, die wichtig für die Bildung von Geschlechtszellen ist. „Genomveränderungen in der Meiose betreffen alle Zellen in der nachkommenden Generation. Zudem scheint es so zu sein, dass verschiedene Kontrollmechanismen, die außerhalb der Meiose wirken, bei Pflanzen außer Kraft gesetzt sind. Damit kommt der Meiose eine besonders wichtige Rolle bei der Genom-Evolution zu.“ sk

Publikation
Komaki, Shinichiro and Schnittger, Arp (2017): The spindle assembly checkpoint in Arabidopsis is rapidly shut off during severe stress.
Developmental Cell 44, DOI: 10.1016/j.devcel.2017.09.017.

Universität Hamburg
Fachbereich Biologie
http://www.uni-hamburg.de

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